一种基于双旋Lyapunov矢量场的无人飞行器避障方法技术

本发明专利技术公开了一种基于双旋Lyapunov矢量场的无人飞行器避障方法，主要包括以下步骤：确定无人飞行器飞行约束条件并构建障碍物安全圆；通过障碍物安全圆进行避障判定；确定最优避障方向和矢量场旋转方向并进行避障。为了提高避障的效率并缩短避障的路径，重新定义了成功避障的判定依据。为了简化避障的复杂度，还提出了对于多个微小障碍物避障的障碍合并重构的规则。该方法能够同时满足无人飞行器动力学约束并实现静态及动态障碍的避障，实现动态未知环境下的无人飞行器平面自主避障。

An unmanned aerial vehicle obstacle avoidance method based on double spin Lyapunov vector field

The invention discloses a method of obstacle avoidance of double spiral Lyapunov UAV Based on vector field, which comprises the following steps: determining the UAV flight constraints and obstacles to build safety circle; through a barrier transfer position for avoidance obstacle avoidance decision; to determine the optimal direction and direction of rotation vector field and obstacle avoidance. In order to improve the efficiency of obstacle avoidance and shorten the path of obstacle avoidance, the judgment basis of successful obstacle avoidance is redefined. In order to simplify the complexity of obstacle avoidance, the rules for the obstacle avoidance and reconstruction of multiple obstacles are also proposed. This method can simultaneously satisfy the dynamic constraints of UAV and achieve static and dynamic obstacle avoidance, and achieve autonomous obstacle avoidance of UAV in dynamic unknown environment.

【技术实现步骤摘要】
一种基于双旋Lyapunov矢量场的无人飞行器避障方法
本专利技术属于无人飞行器空间避障飞行的控制领域，主要是涉及同时满足无人飞行器动力学约束和实现静态及动态障碍避障的方法，尤其是涉及一种基于双旋Lyapunov矢量场的无人飞行器避障方法。
技术介绍
无人飞行器作为一种能够自主控制或者遥控控制的飞行器，以其高续航性和机动性受到了越来越多的关注，其飞行过程中的避障技术也成为了研究的热点。目前，关于无人飞行器避障飞行的研究有许多，现有的避障算法主要可以分为三类：启发式算法、基于图论的方法和几何学方法。其中，启发式算法能够快速规划出从起点到目标点的可行航迹，但是该类方法存在未考虑无人飞行器的机动性能，规划的航迹不具有可飞性且需要对规划的航迹进行平滑处理的缺点；而基于图论的方法能够通过对空间遍历来寻求从起点到目标点之间的避障路径，但该类方法不仅不满足动力学约束，而且一旦任务空间发生变化，需要对空间进行重新遍历，不适合动态障碍的避障规划；而几何学方法能够满足转弯半径等飞行动力学约束，但仅能对静态目标进行避障，而对于动态障碍的规避寻找合适的避障切点十分困难。综上所述，以上三类方法虽然各有优点，但本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于双旋Lyapunov矢量场的无人飞行器避障方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1，确定无人飞行器飞行约束条件并构建障碍物安全圆；设无人飞行器飞行速度V0大小不变，初始飞行方向指向目标点G；根据无人飞行器的最小转弯半径为R0和无人飞行器避障所需安全距离Ruav，将障碍物的外接圆膨化后得到半径为Rsafe的障碍物安全圆；步骤S2，通过障碍物安全圆进行避障判定；经判定，如需要避障则进入步骤S3；如不需要进行避障，无人飞行器则继续按照当前飞行方向飞行；步骤S3，确定最优避障方向和矢量场旋转方向并进行避障；当障碍物为静态障碍时，最优避障方向为无人飞行器和目标点的连线矢量

【技术特征摘要】
1.一种基于双旋Lyapunov矢量场的无人飞行器避障方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1，确定无人飞行器飞行约束条件并构建障碍物安全圆；设无人飞行器飞行速度V0大小不变，初始飞行方向指向目标点G；根据无人飞行器的最小转弯半径为R0和无人飞行器避障所需安全距离Ruav，将障碍物的外接圆膨化后得到半径为Rsafe的障碍物安全圆；步骤S2，通过障碍物安全圆进行避障判定；经判定，如需要避障则进入步骤S3；如不需要进行避障，无人飞行器则继续按照当前飞行方向飞行；步骤S3，确定最优避障方向和矢量场旋转方向并进行避障；当障碍物为静态障碍时，最优避障方向为无人飞行器和目标点的连线矢量旋转到矢量的旋转方向，其中为无人飞行器和Tn点的连线矢量，Tn点为和垂直且过障碍物安全圆圆心的直线与障碍物安全圆交点中距离无人飞行器较近的交点；以Rsafe作为期望的跟踪半径，将最优避障方向的反方向作为Lyapunov矢量场旋转方向，并在该矢量场的引导下进行避障机动。2.如权利要求1所述的一种基于双旋Lyapunov矢量场的无人飞行器避障方法，其特征在于，步骤S1中的Rsafe为：Rsafe＝max{R0,Robs+Ruav}，其中Robs为障碍物的外接圆半径。3.如权利要求1或2所述的一种基于双旋Lyapunov矢量场的无人飞行器避障方法，其特征在于，该方法还包括以下步骤：步骤S4，判定是否成功避障；在飞行过程中，若无人飞行器没有侵犯障碍物安全圆，且存在某时刻ts，使得该时刻无人飞行器和障碍物的连线矢量与矢量的位置关系则判定成功避障，停止避障机动，向目标点G飞行；否则，继续利用步骤S3进行避障机动。4.如权利要求3所述的一种基于双旋Lyapunov矢量场的无人飞行器避障方法，其特征在于，步骤S2具体为：当障碍物为静态障碍时，如果Rtect·sin(θ)＜Rsafe则需要进行避障，进入步骤S3；否则不需要进行避障，无人飞行器继续按照当前飞行方向飞行；其中Rtect为无人飞行器和障碍物的连线矢量的2范数，θ为速度V0和的夹角；当障碍物为动态障碍时，根据td时刻探测到障碍时无人飞行器的飞行速度，预测无人飞...

【专利技术属性】
技术研发人员：张毅，孟启源，杨秀霞，崔嘉，华伟，罗超，曹唯一，
申请(专利权)人：中国人民解放军海军航空工程学院，
类型：发明
国别省市：山东,37